05 Biochemia cukry wstep

5. Biochemia - węglowodany i glikobiologia

Monosacharydy

(cukry proste): jedna jednostka aldehydowa

albo ketonowa

Disacharydy

: dwa monosacharydy

Polisacharydy

: więcej niŜ 20 monosacharydów

Triozy:

aldehyd glicerynowy dihydroksyaceton

(aldoza) (ketoza)

D-glukoza D-fruktoza

(aldoheksoza) (ketoheksoza)

heksozy

D-ryboza 2-deoksy-D-ryboza

(aldopentoza) (aldopentoza)

pentozy

Monosacharydy mają asymetryczne centra,
czyli są cząsteczkami chiralnymi

aldehyd D-glicerynowy aldehyd L-glicerynowy

Niektóre cukry waŜne w biologii

D-ryboza 2-deoksy-D-ryboza

Ryboza i deoksyryboza wchodzą w skład kwasów nukleinowych

Monosacharydy mają właściwości redukujące

Cukry, które reagują z jonem miedziowym
nazywmy

redukującymi

a te, które nie dają tej reakcji,

nieredukującymi

Cukry redukujące muszą mieć wolną
grupę aldehydową.

Disacharydy składają się z 2 monosacharydów

Disacharydy

Laktoza: Gal(

ββββ

→

4)Glc

Sacharoza: Fru(

ββββ

→

αα

)Glc

Trehaloza: Glc(

αα

→

αα

)Glc

Sacharoza

αα

-D-glukopiranozylo-(1

→

2)-

ββββ

-D-fruktofuranoza

Sacharoza jest cukrem nieredukującym, poniewaŜ
oba redukujące końce są połączone ze sobą.

Laktoza

ββββ

-D-galaktopiranozylo-(1

→

4)-

αα

-D-glukopiranoza

Maltoza

αα

-D-glukopiranozylo-(1

→

4)-

αα

-D-glukopiranoza

Skróty nazw monosacharydów

Fukoza

N-acetylogalaktozoamina

N-acetyloglukozoamina

Kwas N-acetyloneuraminowy (sjalowy)

wiązanie O-glikozydowe

metylo

αα

-D-glukopiranozyd metylo-

ββββ

-D-glukopiranozyd

Monosacharydy wiąŜą się z alkoholami i aminami poprzez

wiązanie glikozydowe

Glukoza jest waŜnym paliwem komórkowym

dla większości organizmów

U ssaków, glukoza jest jedynym paliwem komórkowym zuŜywanym
przez mózg w warunkach dobrego odŜywiania, i jedynym źródłem
energii, z którego mogą korzystać czerwone krwinki.

Homopolisacharydy Heteropolisacharydy

nierozgałęzione rozgałęzione nierozgałęzione rozgałęzione

Polisacharydy składają się z podjednostek cukrowych,

są materiałem zapasowym komórek.

Skrobia: polimer glukozy, matariał zapasowy

w komórkach roślinnych

ziarna skrobi w chloroplaście

amyloza (

αα

→

4) glukoza

amylopektyna:
zawiera dodatkowo
wiązania (

αα

→

Skrobia: polimer glukozy

Skrobia: amyloza i amylopektyna

końce
nieredukujące

końce
redukujące

amyloza

amylopektyna

Glikogen: polimer glukozy, w komórkach zwierzęcych

Ziarna glikogenu w hepatocycie

Budową podobna do skrobi, ale bardziej rozgałęziony.

Glikogen: polimer glukozy

αα

1,4; rozgałęzienia

αα

1,6

wyst

powanie

- w w

trobie (6-8%): zapas w

glowodanów dla

wszystkich tkanek

- i mi

ęś

niach (1-2%) tylko dla mi

ęś

Struktura skrobi (amylozy)

podjednostki glukozy związane (

αα

→

W roślinach, glukoza powstaje w chloroplastach w wyniku absorpcji światła

Celuloza: polisacharyd strukturalny,

podjednostki glukozy połączone wiązaniem

ββββ

→

(

ββββ

→

4) glukoza

Struktura celulozy

wiązania wodorowe

W porównianiu ze skrobią struktura bardzo sztywna,
stabilizowana przez wiązania wodorowe.
Nie moŜe być trawiona przez zwierzęta z wyjątkiem przeŜuwaczy,
u których celulaza jest produkowana przez bakterie z rodzaju
Trichonympha.

Huba rosnąca na drzewie produkuje celulazę, która rozkłada celulozę

Synteza celulozy w roślinach

Porówanie celulozy ze skrobią i glikogenem

celuloza (wiązania

ββββ

→

skrobia i glikogen (wiązania

αα

→

Chityna: liniowy polimer N-acetyloglukozoaminy w połączeniu

ββββ

Jedyna róŜnica w porównaniu z celulozą: -NH-CO-CH

zamiast -OH.

Główny składnik ścian komórkowych grzybów oraz
okrywy ciał stawonogów.
Znany środek odchudzający.

Pancerz tego chrząszcza (Pelidnota punctata) składa się z chityny

Ściany komórkowe bakterii zawierają peptydoglikany

miejsce trawione
przez lizozym

redukujący koniec

łącznik pentaglicynowy

kwas N-acetylomuraminowy

N-acetyloglukozoamina

L-Ala

D-Glu

L-Lys

D-Ala

Bakterie gram-dodatnie
zawierają łącznik pentaglicynowy.

Bakterie gram-ujemne
zawierają łącznik zbudowany
z L-lizyny albo kwasu
diaminopimelinowego.

Biosynteza ściany komórkowej jest hamowana przez penicylinę

Bakteryjny
lipopolisacharyd

Bakterie zawierają teŜ lipopolisacharydy, kompleksy lipidów i cukrów

Agaroza: produkt alg morskich

→

3) D-Gal-(

ββββ

→

4)3,6-anhydro-l_Gal

(

αα

Unikalne właściwości Ŝelujące: roztwór agarozy po podgrzaniu
i ochłodzeniu tworzy podwójną helisę: dwie cząsteczki
w równoległym ułoŜeniu skręcają się razem z powtórzeniem
na co trzeciej reszcie. Woda pozstaje w centralnym rowku.
Zastosowaniu w laboratorium (rozdział DNA), przemyśle spoŜywczym
(ptasie mleczko) i farmaceutycznym.

Glikozaminoglikany wchodzą w skład macierzy zewnątrzkomórkowej

Glikozaminoglikan powtarzająca się ilość disacharydów

jednostka

w łańcuchu

kwas hialuronowy

4-siarczan chondroityny

siarczan keratanu

słuŜy jako smar w stawach
nadaje konsystencję oku
wchodzi w skład ścięgien

wchodzi w skład chrząstek
i ścięgien

wchodzi w skład kości,
a takŜe rogów,kopyt i paznokci

Kwas hialuronowy: 50 000 podjednostek

kwas glukurunowy N-acetyloglukozoamina

słuŜy jako smar w stawach
nadaje konsystencję oku
wchodzi w skład ścięgien

Siarczan keratanu: 25 podjednostek

galaktoza siarczan N-acetyloglukozoaminy

wchodzi w skład kości,

a takŜe rogów,kopyt i paznokci

Siarczan dermatanu

kwas glukuronowy siarczan N-acetyloglukozoaminy

obecny w skórze i ścianach naczyć krwionośnych,
nadaje skórze elastyczność

Budowa proteoglikanu transmembranowego

(syndekan)

siarczan
heparanu

siarczan
chondroityny

wnętrze komórki

siarczan chondroityny

Struktura proteoglikanu

rdzeń białkowy

łącznik trójcukrowy

Siarczan heparanu

domena NA
domena S

siarczanowane cukry

niemodyfikowane cukry

Domena S oddziałuje z róŜnymi czynnikami.

czynnik Xa

siarczan
heparanu

domena S

Konformacyjna aktywacja czynnika Xa hamuje tworzenie się skrzepu

Konformacyjna zmiana w antytrombinie (AT) po związaniu
swoistego pentasacharydu w domenie S pozwala na związanie
czynnika Xa, co z kolei hamuje krzepnięcie krwi.

trombina

PodwyŜszenie oddziaływań białko-białko

Antytrombina (AT) i trombina związane przez 2 sąsiednie domeny S
wiąŜą się z sobą, co hamuje krzepnięcie krwi.

Koreceptor dla ligandów zewnątrzkomórkowych

FGF (ligand)

domena S

receptor dla FGF (dimer)

Domena S oddziałuje z receptorem dla fibroblastycznego
czynnika wzrostu (FGF),wiąŜąc dwa receptory w dimer,
co podwyŜsza powinowactwo wobec czynnika
wzrostu FGF.

Wiązanie cząsteczek z powierzchnia komórki

lipaza lipoproteinowa

domena S

Grupy siarczanowe domeny S pozwalają na sprowadzenie dodatnio
naładowanych cząsteczek, takich jak lipaza lipoproteinowa.
Takie oddziaływania mają miejsce w przypadku wnikania do komórki
niektórych wirusów, np. herpes.

Proteoglikan macierzy zewnątrzkomórkowej

kwas hialuronowy
(do 50 000 disacharydów)

siarczan
keratanu

siarczan
chondroityny

rdzeń białkowy

białko
wiąŜące

Oddziaływania między komórką i macierzą zewnątrzkomórkową

integryna

proteoglikan

fibronektyna

usieciowane włókna
kolagenu

filamenty aktyny

błona komórkowa

Glikoproteiny: białka z przyłączonymi węglowodanami.
Wiązania mogą być O-glikozydowe (przez serynę albo treoninę)
lub N-glikozydowe (przez asparaginę).

wiązanie O-glikozydowe

wiązanie N-glikozydowe

Glikoforyna A, główna glikoproteina ludzkich erytrocytów

cukry związane
O-glikozydowo

cukry związane
N-glikozydowo

Rola oligosacharydów w wiązaniu i adhezji

łańcuch
oligosacharydowy

białko
transmembranowe

glikolipid

wirus

bakteria

inna komórka

toksyna

GLIKOPROTEINY

Lektyny - białka wiąŜące cukry

Struktura receptora dla mannozo-6-fosforanu w kompleksie
z mannozo-6-fosforanem

Oddziaływania mannozo-6-fosforanu w miejscu wiąŜącym lektyny

Bakterie Helicobacter pylori wiąŜace się do ściany Ŝołądka.
Lektyny na powierzchni bakterii rozpoznają oligosacharyd Le

Bakterie Helicobacter pylori mogą powodować wrzody Ŝołądka.

Rola oddziaływań lektyna-ligand w sprowadzaniu
leukocytów w miejsce zapalne

selektyna L

integryna

ligand
dla selektyny L
(sjalo Le

)

ligand
dla integryny
(ICAM)

leukocyt

stan zapalny

przepływ

krwi

adhezja

komórki
śródbłonka

toczenie się
leukocytów

Ligandy dla selektyn

MAdCAM-1: Mucosal Addressin Cell Adhesion Molecule
GlyCAM-1: Glycosylation-Dependent Cell-Adhesion Molecule
PSGL-1: P-Selectin Glycoprotein Ligand

Wszystkie te białka zawierają oligosacharyd sjalo-Lewis

OLIGOSACHARYD TYPU MANNOZOWEGO

OLIGOSACHARYD ZŁOśONY

N-GLIKOZYLACJA - PROCES KOTRANSLACYJNY ZACZYNAJACY SIĘ W

RETIKULUM ENDOPLAZMATYCZNYM,

A KOŃCZĄCY W APARACIE GOLGIEGO

•

synteza białka

•

synteza lipidowego prekursora oligosacharydów

(Glc3Man9GlcNAc-dolichol

•

przeniesienie pośredniego oligosacharydu na

białko (AsnXSer/Thr przez transferazę
oligosacharylową

•

usunięcie dwóch reszt glukozy z posredniego

oligosacharydu Glc3Man9GlcNAc-AsnXSer/Thr

•

kontrola jakośći fałdowania białka

kalneksyna/kalneturina

•

przebudowa-N-glikanów w aparacie Goldiego i

transport

System kontroli jakości glikoprotein w retikulum endoplazmatycznym

określajacy gotowość glikoproteiny do przeniesienia do aparatu

Golgiego

Nieobecność glukozy wskazuje, Ŝe białko
jest prawidłowo sfałdowane.

Glukoza dołączana jest do oligosacharydu
gdy białko jest niesfałdowane łączy się z
kalneksyną i jest kierowana do ponownego
fałdowania

pre-

lizozym

ziarnistość

sekrecyjna

sekrecja

ciągła

sekrecja

regulowana

białko zakotwiczone

w błonę plazmatyczną

TRANSPORT BIAŁEK W APARACIE GOLGIEGO

Gal

→

GlcNAc

→

↓↓↓↓

Fuc(

αα

→

Lewis X

Antygeny grupowe krwi

ANTYGENY GRUPOWE KRWI

PRZECIWCIAŁA ANTY-ABH W LUDZKICH

SUROWICACH

Grupa krwi

Przeciwciała

anty-B

anty-A

anty-A, anty-B

Bombay (

rzadki

anty-A, anty-B, anty-H

fenotyp bez H)

Znaczenie obecności izoprzeciwciał

transfuzja krwi
transplantacje organów i komórek

Antygeny ABH/Le

są dziedziczone, genetyczna informacja jest

zakodowana w swoistych glikozylotransferazach

Prekursor typu 1

αα

1,4Fuc-T (Le)

αα

1,2Fuc-T (H)

αα

1,3GalNAc(lub Gal)-T (A)

αα

1,4Fuc-T (Le)

A (lub B)

αα

1,4Fuc-T (Le)

ALe

Transferazy A (

αα

1,3GalNAc-T) i B (

αα

1,3Gal-T)

mają tylko cztery róŜne reszty aminokwasowe

pozycja

Arg

176

Gly

Gly 235

Ser

Leu* 266*

Met*

Gly*

268* Ala*

*podstawienia istotne dla zmiany swoistości

Inne (rzadkie ) zmiany w genach kodujących
glikozylotransferazy układu ABH powodują istnienie rzadkich

‘nienormalnych’ fenotypów.

Ksenoantygen Gal

αα

1-3Gal

Łańcuchy oligosacharydowe zakończone sekwencją

Gal

αα

1-3Gal

ββββ

1-4GlcNAc -

są liczne w glikoproteinach i glikolipidach zwierząt (ssaków)
i są nieobecne u ludzi i małp ‘starego świata’

Wszystkie ludzkie surowice zawierają przeciwciała swoiste dla tej
struktury (zwane anty-Gal).

cDNA kodujące zwierzęce

αα

1,3Gal-T były sekwencjonowane.

Analogiczny gen został teŜ wykryty u ludzi, ale wykazuje nonsensowne
mutacje i przedwczesne kodony stop.

Antygen ten jest główną przyczyną ostrego odrzucania

ksenotransplantów u ludzi.

ROŚLINNE ANTYGENY CUKROWE

Man

αα

1-6

Man

ββββ

1-4GlcNAc

ββββ

1-4GlcNAc-Asn

Man

αα

1-3

↑↑↑↑

Xyl

ββββ

1,2

Fuc

αα

1,3

Te cukrowe epitopy (glikotopy) są obecne w glikoproteinach roślin i
niektórych bezkręgowców.
Wywołują one u ludzi odpowiedź humoralną i reakcje alergiczne.
Stwarza to potencjalne problemy przy stosowaniu terapeutycznych
białek produkowanych w transgeniccnych roślinach.

WNIOSKI

‘Obce’ struktury cukrowe są silnie immunogenne

Ludzkie surowice zawierają wiele naturalnych przeciwciał anty-
cukrowych

Immunogenność cukrów ma fizjologiczne znaczenie w:

transfuzji krwi
oddziaływaniach matka-płód

transplantacji

procesach autoimunologicznych

05. Biochemia - węglowodany

Tematy do zapamiętania

1. Monosacharydy, disacharydy, polisacharydy.
2. Budowa cukrów, anomeria.
3. Cukry redukujące i nieredukujące.
4. Skrobia, celuloza i glikogen: struktura i funkcja.
5. Glikozaminoglikany: przykłady, rola biologiczna.
6. Proteoglikany.
7. Glikoproteiny i lektyny.
8. Antygeny grupowe krwi.